[发明专利]一种用于低浓度甲烷低温催化燃烧的钯基催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及甲烷催化燃烧技术领域，具体地说，涉及一种用于低浓度甲烷低温催化燃烧的钯基催化剂及其制备方法。

背景技术

甲烷是天然气、沼气、坑气等的主要成分，俗称瓦斯，是主要的能源原料之一。同时，甲烷也是一种重要的温室气体，其温室效应远大于CO₂。因此，催化净化烟道气或者甲烷燃料汽车排放的低浓度的甲烷具有重要意义。为了提高净化过程中的能量效率，要求催化剂具有高的催化活性(起燃温度低)和操作稳定性。常用的甲烷催化燃烧催化剂有贵金属催化剂和过渡金属氧化物催化剂，其中钯基催化剂是公认的具有较高的甲烷低温氧化活性的催化剂，但是常规氧化铝负载钯催化剂存在稳定性较差和贵金属用量大等问题，且催化剂活性也需进一步提高。大量研究试图通过添加助催化剂和优化制备条件等方法来提高催化剂的活性和稳定性(Appl Catal A-Gen,2004,259(1):57；Catal Lett,2004,95(3):151；CN103131488A)。专利CN103131488A公开了一种低浓度甲烷催化燃烧的催化剂及其制备方法，该催化剂包括催化活性组分、催化剂载体A1₂O₃以及金属氧化物共载体,以铂族贵金属Pd、Pt、Ru、Rh等中的一种或几种组合作为催化活性组分,以Mg、La、Fe、Mn、Ni、Co等的金属氧化物中的至少一种作为金属氧化物共载体，利用浸渍法、均相沉淀法、共沉淀法、热分解法中的任意一种方法,制备含有共载体的催化剂前体,再经过过滤、洗涤、干燥、焙烧、成型、再焙烧及还原后形成催化剂。所制催化剂的性能较未添加助剂的钯催化剂相比，活性和稳定性都有很大的提高，但甲烷完全净化温度仍需达到600℃，活性和稳定性还需要进一步改善。

上述研究说明通过添加助催化剂是提高氧化铝负载钯催化剂催化净化甲烷性能的一种有效方式。在各种氧化物中，CeO₂由于具有优异的储放氧能力和氧化还原性能被广泛应用于多种催化氧化催化剂中，其中在甲烷催化燃烧催化剂中也得到广泛应用，如Cargnello等(Science,2012,337(6095):713)报道了PdCeO₂/γ-Al₂O₃核壳结构催化剂具有优异的甲烷催化燃烧性能，但该催化剂制备流程复杂，不适合工业上大规模的应用。

发明内容

催化燃烧法是最有前景的低浓度甲烷净化方法之一。目前大多数催化剂仍然存在贵金属含量偏高、稳定性较差和起燃温度较高等问题，为了克服以上存在的问题和寻求更高性能的甲烷催化净化催化剂，本发明提供一种具有高稳定性和活性的低温甲烷催化燃烧钯基催化剂及其制备方法。所制备的催化剂具有制备工艺简单、钯负载量低、活性组分分布均匀和低温操作性能好等特点，可在较低温度和低贵金属含量下将甲烷快速氧化成二氧化碳和水。

为了实现上述技术目的，本发明的技术解决方案为：

一种用于低浓度甲烷低温催化燃烧的钯基催化剂，所述催化剂由贵金属Pd、助催化剂和氧化铝载体组成。

所述助催化剂由CeO₂和Fe、Co、Ni或Cu中的至少一种的氧化物B组成。

在上述低温甲烷催化氧化催化剂中，以催化剂的重量为100％计，催化剂中贵金属Pd的重量百分比为0.01％～1％，助催化剂CeO₂的重量百分比为0.01％～20％，助催化剂氧化物B的重量百分比为0.01％～10％。

上述低温甲烷催化氧化催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)根据助催化剂CeO₂和氧化物B的组成比例，将相应的金属硝酸盐前驱体和柠檬酸混合溶于去离子水，油浴缓慢加热至形成溶胶，加入-Al₂O₃载体颗粒，超声处理半小时、干燥、空气氛围下焙烧备用。

(2)根据贵金属Pd的组成比例，将相应的贵金属硝酸盐前驱体水溶液等体积浸渍在步骤(1)所得已添加助催化剂的载体上，静置、超声、干燥，最后在空气氛围下焙烧得到催化剂。

在上述制备方法步骤(1)中柠檬酸的添加量与氧化物B的摩尔比为1:1～4:1。

在上述制备方法步骤(1)中溶胶形成过程温度为60～120℃，时间为1～24h。

在上述制备方法步骤(1)和(2)中干燥温度为80～120℃，干燥时间为6～24小时，空气气氛中煅烧温度为400～800℃，煅烧时间为3～12小时。